Baterie ztrácejí kapacitu s časem, což znamená, že staré mobilní telefony se rychleji vybíjejí. To je běžný jev, nicméně není úplně pochopený.
Nyní mezinárodní tým výzkumníků vedený inženýrem z Univerzity Colorado v Boulderu objevil mechanismus, který stojí za tímto zhoršováním kvality baterií. Jejich objev může pomoci vědcům vyvinout lepší baterie, které umožní elektromobilům jezdit dál a déle, a také přispět k rozvoji technologií pro skladování energie, které urychlí přechod na čistou energii.
Výsledky byly zveřejněny 12. září v časopise Science.
„Pomáháme rozvíjet lithium-iontové baterie tím, že zkoumáme molekulární procesy spojené s jejich degradací,“ řekl Michael Toní, autor článku a profesor na katedře chemického a biologického inženýrství. „Mít lepší baterie je klíčové pro přechod naší energetické infrastruktury z fosilních paliv na obnovitelnější zdroje energie.“
Inženýři již léta pracují na vývoji lithium-iontových baterií — nejběžnějšího typu akumulátorů — bez kobaltu. Kobalt je drahý, vzácný minerál, jehož těžba je spojena se závažnými environmentálními problémy a problémy s lidskými právy. V Demokratické republice Kongo, která dodává více než polovinu světové produkce kobaltu, jsou mnozí horníci dětmi.
Dosud se vědci pokoušeli použít jiné prvky, jako je nikl a hořčík, k nahrazení kobaltu v lithium-iontových bateriích. Tyto baterie však vykazují ještě vyšší míru samovybíjení, kdy vnitřní chemické reakce baterie snižují nahromaděnou energii a časem snižují její kapacitu. Kvůli samovybíjení většina baterií elektromobilů má životnost od sedmi do deseti let, než je potřeba je vyměnit.
Toní, který je také vědeckým pracovníkem Institutu obnovitelné a udržitelné energie, a jeho tým se zaměřili na výzkum příčiny samovybíjení. V typické lithium-iontové baterii se ionty litiu, které nesou náboj, pohybují z jedné strany baterie, nazývané anoda, na druhou stranu, nazývanou katoda, prostřednictvím prostředí zvaného elektrolyt. Během tohoto procesu tok nabitých iontů vytváří elektrický proud, který napájí elektronická zařízení. Nabíjení baterie mění tok nabitých iontů na opačný a vrací je zpět k anodě.
Vědci dříve mysleli, že baterie se samovybíjejí, protože všechny ionty litiu se nevracejí k anodě během nabíjení, což snižuje počet nabitých iontů dostupných pro tvorbu proudu a napájení.
Pomocí Advanced Photon Source, výkonného rentgenového přístroje v Argonne National Laboratory Ministerstva energetiky USA v Illinois, výzkumný tým zjistil, že molekuly vodíku z elektrolytu baterie se pohybují na katodu a zabírají místa, kde by se obvykle vázaly ionty litiu. Výsledkem je, že ionty litiu mají méně míst, kde se mohou na katodě vázat, což oslabuje elektrický proud a snižuje kapacitu baterie.
Doprava je největším zdrojem skleníkových plynů v USA, v roce 2021 činila 28 % emisí v zemi. Aby se snížily emise, mnoho automobilových výrobců se zavázalo k tomu, že přestanou vyvíjet benzínová vozidla a místo toho budou vyrábět více elektromobilů. Ale výrobci elektromobilů čelí řadě problémů, včetně omezeného dojezdu, vyšších výrobních nákladů a kratší životnosti baterií než u běžných automobilů. Na americkém trhu může typický plně elektrický vůz ujet přibližně 250 mil na jedno nabití, což představuje přibližně 60 % dojezdu benzínového vozu. Nový výzkum má potenciál vyřešit všechny tyto problémy, řekl Toní.
„Všichni spotřebitelé chtějí vozidla s větším dojezdem. Některé z těchto akumulátorů s nízkým obsahem kobaltu mohou potenciálně zajistit větší dojezd, ale musíme také zajistit, že se nerozpadnou během krátké doby,“ řekl, a dodal, že snížení obsahu kobaltu může také snížit náklady a vyřešit problémy s lidskými právy a energetickou spravedlností.
S lepším pochopením mechanismu samovybíjení mohou inženýři prozkoumat několik způsobů, jak tento proces zastavit, například pokrytí katody speciálním materiálem pro blokování molekul vodíku nebo použití jiného elektrolytu.
„Teď, když rozumíme tomu, co způsobuje zhoršení výkonu akumulátorů, můžeme informovat komunitu chemiků akumulátorů o tom, co je třeba zlepšit při návrhu akumulátorů,“ řekl Toní.